在设计供暖通风/空调(HVAC)系统和其他在恶劣环境中使用的设备时，如在户外或工业设施中使用，接触的安全性和可靠性是重要的考虑因素。像RAST连接器这样成熟的标准提供了一个很好的选择，但有些应用要求更多。挑战包括环境密封、触点保持、位置优化，以及将电源连接器锁定在一起以防止意外断开。

本文回顾了一系列选择，包括常见的连接器锁定机制、环境密封的选择、用于终端锁定和触点位置控制的模块化系统，以及可与标准电源入口一起使用的锁定IEC电源连接器。最后，介绍了一种使用增强型有限元分析来模拟和评估接触可靠性的方法。

图1. 一个矩形连接器系统显示了TPA(左下角)、CPA(右上角)和闩锁机制(帽和插头外壳的顶部)的位置。

有各种各样的锁定机制，特别是对于圆形连接器。一些实现方式还可以提供对恶劣环境的保护，许多可以承受相当程度的冲击和振动。例子包括：

·卡口式接头在圆形连接器的插座外壳上使用三个等距的插针，插入铣在联接螺母上的相应斜面。它可以提供不同程度的环境保护，再加上简单的扭动就可以确保可靠的连接。

·螺丝联接是最安全的，尽管不是最容易使用的。它们有粗线和细线之分，取决于针脚和连接器的尺寸。螺丝联接可以提供高水平的保护，防止水、灰尘和其他污染物的进入。

·推拉式联接可以防止连接器在使用过程中意外断开。推拉式连接器适合于锁定连接和信号完整性是重要考虑因素的应用。

·分离式接头有密封式和非密封式两种。它们是电气安全部件，对移动或旋转的部件立即断开，以防止纠缠或暴露在高拉伸载荷下。它们通常是圆形连接器，但也有非圆形版本。

触点对齐和保持

有各种位置保证设计可用于支持触点对准和保持，特别是对于传统的压接/咬接连接器，这些连接器可能会面临触点回缩的问题。两个最常见的解决方案是连接器位置保证(CPA)和端子位置保证(TPA)。

CPA指的是一种二级锁定机制，以确保连接器配接的正确性。一个常见的实施方案包括一个锁扣，它可以在配接插头的固定夹下滑动，将连接器固定在配接位置。它只在连接器正确对接时锁住。必须按下一个主要的锁扣来释放固定夹，并允许解除配接。

TPA的设计是为了防止触头回缩。TPA解决方案可分为主锁加固(PLR)或独立二级锁(ISL)。两者都是为了防止端子从连接器上拔出，但ISL通常起到补充或加强PLR的作用。一些二级锁也作为应力消除装置。

CPA和TPA机制可与连接器集成，或作为可选附件提供。除了基本的CPA和TPA解决方案外，许多连接器还包括一个闩锁机制，当连接器正确对接时，会产生可闻的咔哒声(图2)。

环境保护

虽然有几种工业标准的方法来为圆形连接器提供环境保护，但非圆形连接器的环境保护却没有那么标准化，但同样重要。

消费者和商业暖通空调系统以及各种类型的通信和工业设备可以从环境保护选项中受益，如O型环或保护帽以及完全密封的互连系统，其额定值为IP67，并预装密封圈，用于防尘和防风雨(可在一米的水中浸泡)。

保护性橡胶帽可用于线对线连接器系统，提供IP51保护(图3)。这些盖子的设计是为检查提供通道，以确保安装质量，并提供保护，防止水、泡沫和灰尘碎片的进入。它们被设计用于家用电器、商业和住宅HVAC、商业车辆和工业自动化应用。

图2. 这种保护性橡胶套提供IP51环境防护，并允许检查时进入。

电源连接

提高电源触点的连接器可靠性可以成为防止意外断开和减轻冲击和振动影响的一个重要考虑。锁定连接器可用于标准的IEC电源入口，可以消除对单独固定夹的需要。一种设计包括一个集成的锁定系统，不需要修改现有的IEC插座或EMI过滤器。它锁定在标准IEC插座的接地针上，并提供一个双锁系统，防止意外断开。它设计用于数据中心、配电装置、工业设备、医疗设备和其他关键的电源应用。

锁定系统的典型拉伸力为200N，建议与法兰盘安装的过滤器或进气口一起使用。澳大利亚、加拿大、欧洲和美国都有安全认证，一些特点包括：

·它的额定电流高达10 A(C13插头)，高达15 A(C13P插头)，以及高达20 A(C19插头)。

·它的最大引脚温度为+70℃。

·各种电源线插头可用于国际应用。

图3. 锁定的IEC电源连接器剖面图，显示红色的锁定机制。

加强有限元建模

在分析连接器设计的可靠性时，除了传统的基于统计的方法外，还使用了几种方法，包括失效物理学(POF)和有限元(FE)分析。虽然这些方法很有用，但它们没有考虑结构和材料与连接器的可靠性之间的关系。

一种新的方法已经被提出来用于连接器的可靠性评估。这种方法包括三个模块，每个模块评估连接器可靠性的一个方面，包括功能实现后的初始状态，随时间推移的退化行为，以及抗过载性能。为了测试所提出的方法的结果，一个现有的叶片-弹簧连接器上的基材被替换为一种名为Cu-20Zn-1.5Ni-0.34Si的较新的铜合金。分析表明，使用新允许的连接器的可靠性可以通过增加叶片的插入深度和使用润滑或减少接触法向力来提高。

作为性能退化评估的一部分，开发了一个模型用于评估热扩散机制下的可靠性，模型结果与实验数据进行了验证。该模型可以定量地确定接触表面的氧化膜厚度，从而可以计算接触电阻，以确定设计是否足以满足性能标准。

对1/4模型的FE分析是用Ansys Workbench实现的(图4)。通过在接触建模中加入材料性能的考虑，这项工作为接触的可靠性评估开发了一种系统的方法，可能有助于帮助连接器设计者建立预期的连接器性能模型和优化接触可靠性。这种新的设计方法声称的优势包括：

·它可以系统地应用于整个设计过程，包括功能设计和可靠性分析的整合。

·它考虑了多种设计因素和退化机制以及它们之间的相互关系。

·它结合了POF和FE的定量方法，并增加了一种包含材料选择标准的方法，其定量热扩散评价模型可以加快连接器和接触设计过程。

图4. 这个1/4的弹簧片连接器的几何FE模型被用于FE分析。

总结

触点保持和可靠性在从住宅和商业HVAC到工业、通信、运输、医疗和军事/航空系统的一系列应用中都很重要。有不同的方法来支持圆形和非圆形连接器的可靠操作，包括锁定机制、连接器和接触位置保证设计，以及各种类型的环境保护。对于可靠的电源连接，有与标准IEC电源入口和EMI滤波器模块兼容的锁定连接器。最后，提出了一种新的方法，以加快新的连接器和触点的设计，包括机械和材料设计因素，以确保可靠的操作。